Практические вопросы построения МП систем презентация

Рассматриваемые вопросы
Порты ввода/вывода микроконтроллера
Режим альтернативных функций портов ввода/вывода
Подключение датчиков
2-х проводная схема
Делитель напряжения
Подключение потенциометрических датчиков
Мостовая схема
3/4-х проводная схема
Токовая петля
Гальваническая развязка
Реле
Оптрон
Датчики типа «сухой контакт»

Порт ввода/вывода
Порт ввода/вывода – периферийное устройство процессора, предназна-ченное для соединения его с внешними устройствами с целью обмена инфор-мацией между ними.

Виды портов ввода/вывода
По способу обмена данными порты бывают последовательными и парал-лельными.
По виду синхронизации порты делятся на синхронные и асинхронные.
А по области применения порты могут быть специализированными и универ-сальными.

Последовательный и параллельный порты
Последовательный порт имеет одноразрядный формат и передаёт (принимает) информацию по принципу «один бит за другим».
Параллельный порт имеет формат в несколько разрядов (обычно 8, 16, 32), которые передаются одновременно.
AVR-микроконтроллеры в своем составе имеют обычно до шести 8- или 32-разрядных (в зависимости от конкретной модели) параллельных портов ввода/вывода.

Синхронный и асинхронный порты
Синхронными называют порты, передача и приём информации с помощью которых осуществляется с жёсткой временной синхронизацией. Под синхронизацией понимается временное согласование работы устройств передачи и приёма информации.
Асинхронными называют порты, которые передают/принимают информацию с различной скоростью.

Специализированные и универсальные порты
Специализированные порты предназначены для реализации определённых интерфейсов обмена данными (SPI, USB, RS-232/422/285 и т.д.).
Универсальные порты позволяют программно управлять основными параметрами процесса обмена информацией (формат данных, временные характеристики и т.д.).

Способы обмена информацией через порт
Существуют следующие режимы обмена информацией через порт ввода/вывода:
Программно-управляемый обмен;
Обмен по прерываниям;
Обмен в режиме прямого доступа к памяти (ПДП).

Краткое описание способов обмена данными
При программно-управляемом обмене (program-driven I/O) все операции ввода-вывода выполняются в соответствии с заложенной программой с проверкой готовности внешнего устройства к обмену.
Обмен по прерываниям (Interrupt-driven I/O) осуществляется с использованием механизма прерываний.
Обмен в режиме ПДП (Direct Memory Access – DMA) осуществляется с помощью аппаратных средств независимо от процессора, который в данном случае только инициирует процесс ввода-вывода и управляет соответствующими ресурсами.

Регистры портов ввода/вывода микроконтроллеров AVR
В микроконтроллерах AVR каждому порту ввода/вывода соответствуют три 8-разрядных регистра ввода/вывода:
DDR – регистр направления передачи данных;
PORT- регистр порта;
PIN – регистр ввода данных порта.

Схема порта ввода/вывода микроконтроллера AVR
Схема линии порта ввода/вывода из описания микроконтроллера AVR

Упрощенная схема порта ввода/вывода

Упрощенная схема порта ввода/вывода

Состав порта (не полный)
На упрощенной схеме отображены следующие части порта:
1 – защитные диоды;
2 – паразитная ёмкость порта;
3 и 4 – ключи управления порта (выполнены на полевых транзисторах).

Защита порта ввода/вывода и его паразитная емкость

Назначение защитных диодов и влияние паразитной емкости
Защитные диоды нужны для защиты ввода микро-контроллера от кратковременных импульсов напряжения, превышающих Uп. Если напряжение будет выше Uп, то верхний диод откроется и это напряжение будет стравлено на шину питания. Если на ввод попадет отрицательное (ниже нулевого уровня) напряжение, то оно будет нейтрализовано через нижний диод и погасится на землю. Однако, такая защита помогает только от небольших превышений напряжения (менее 1 вольта).
Паразитная емкость линии порта не велика, но присутствует всегда и влияет на время задержки при работе порта.

Режимы работы порта ввода/вывода
Существует несколько режимов работы порта ввода/вывода:
Высокоимпедансный вход (режим Hi-Z);
Вход с подтяжкой (режим Pull Up);
Режим выхода;
Режим альтернативных функций.

Таблица режимов линии порта ввода/вывода
Х означает, что значение сигнала на соответствующей линии не имеет значения. Это может быть или лог. 0, или лог. 1.

Каскад управления подтяжкой линии порта к Uпит

Высокоимпедансный вход
Режим Hi-Z включен по умолчанию. Все ключи разомкнуты, а сопротивление порта очень велико. При этом он постоянно считывает свое состояние в регистр PINxn, и всегда можно узнать, что на входе — единица или ноль. Этот режим хорош для прослушивания какой либо шины данных, т.к. он не оказывает на неё никакого влияния. А если вход висит в воздухе, то напряжение будет на нём скакать в зависимости от внешних наводок, электро-магнитных помех. Очень часто на порту в этом случае нестабильный синус 50 Гц — наводка от сети 220В, а в регистре PINn будет меняться 0 и 1 с частотой около 50Гц.

Вход с подтяжкой (режим Pull Up)
При DDRxn=0, PORTxn=1 и PUD=0 замыкается ключ подтяжки и к линии подключается резистор в 100 кОм, что моментально приводит
не подключенную никуда линию в состояние лог. 1.
Цель подтяжки — не допустить хаотичного изменения состояния на входе под действием наводок. Но если на входе появится логический 0 (замыкание линии на землю кнопкой или другим микроконтроллером или микросхемой), то резистор не сможет удерживать напряжение на линии на уровне лог. 1 и на входе будет лог. 0.

Режим Pull Up: линия порта ввода/вывода «висит в воздухе»

Режим выхода. Вывод 0
DDRxn=1, PORTxn=0

Режим выхода. Вывод 1
DDRxn=1, PORTxn=1

Режим альтернативных функций порта ввода/вывода
В AVR микроконтроллерах каждая линия порта ввода/вывода общего назначения может быть использована для подклю-чения к выводу микроконтроллера того или иного сигнала периферийного устройства, находящегося на кристалле микроконтроллера. Такое подключение и есть режим альтернативной функции порта ввода/вывода.

Схема линии порта МК AVR с альтернативной функцией

Упрощенная схема линии порта МК AVR с альтернативной функцией
Защитные диоды, паразитная емкость, линия сигнала PUD и линия
к регистру PINxn от ножки порта Pxn не показаны.

Работа порта в режиме альтернативной функции
Альтернативная функция порта в/в включается, если происходит инициализация периферий-ного устройства, линии управления состоянием порта в/в которого подсоединены к этому порту через мультиплексоры, управляемые сигналами XXOExn (Pxn XX Override Enable – переопределе-ние сигнала XX на линии Pxn порта разрешено).
Если все XXOExn=0, порт работает как обычный
8-разр. параллельный порт в/в.
Если все XXOExn=1, включается альтернативная функция порта.

Активные и пассивные датчики и их питание
Датчики бывают активные (генераторные) и пассивные (параметрические). В первых измеряемая величина вызывает генерацию электрического сигнала, а воздействие на вторые приводит к изменению параметров электрических, магнитных или оптических цепей. Поэтому для подключения пассивных датчиков к МК необходимо использовать источник питания.

Варианты сопряжения датчика
и микроконтроллера
Рассмотрим варианты сопряжения датчика с микроконтроллером. В первом варианте датчик выдаёт сигнал на аналоговый преобразователь (АП), а затем на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). После этого полученный в АЦП двоичный код поступает в МК по некоторому интерфейсу.

Сопряжение через АЦП с встроенным АП
Иногда в микросхеме АЦП присутствует первичный аналоговый преобразователь (АП). Это может быть, например, усилитель сигнала или фильтр. Тогда схема подключения датчика приобретает следующий вид:

Сопряжение с датчиком при наличии в МК встроенного АЦП
АЦП может находиться на кристалле МК, и тогда он называется встроенным. Это даёт экономию места на плате и меньшую потре-бляемую мощность схемы. Однако, есть и недостаток: АЦП находится в ЭМП окружа-ющих его устройств, создающих помехи, снижающие точность преобразования.

Сопяжение МК с датчиком с встроенным АП
Чувствительные элементы некоторых датчиков имеют очень маленький диапазон выходного сигнала. Поэтому аналоговые преобразователи (усилители) встраивают
в корпус датчика.

Сопряжение МК с датчиком с цифровым интерфейсом
Существуют датчики с встроенными АП
и АЦП, а иногда даже с дополнительной логикой (или даже вычислителем)
и драйвером интерфейса. Таким образом, сопряжение с МК сразу происходит
с помощью цифрового интерфейса. Например: SPI, I2C, RS-232, RS-485.

Подключение датчика с помощью делителя напряжения

Подключение потенциометриче-ского датчика

Выходной сигнал и погрешность потенциометрической схемы

Мостовая схема
Мостовая измерительная схема содержит два плеча — измерительное, в которое включен параметрический датчик R1, и опорное с резисторами R3, R4. Одна диагональ моста запитывается напряжением Е, а с другой на сопротивлении нагрузки Rн снимается выходной сигнал.

Простая мостовая схема

Полумостовая схема
В полумостовой схеме (справа) в смежные плечи моста включа-ется дифференциаль-ный датчик.

Полный мост
В схеме полного моста два дифференциальных датчика (например, два круговых потенцио-метра) включаются в оба его плеча.

Формула для расчета мостовых схем

Условие балансировки моста

Подключение датчиков к мостовым схемам
Во многих случаях датчики террито-риально удалены от измерительной схемы, а сигналы этих датчиков очень малы, поэтому изменение сопротивления проводов приводит к изменению выход-ного сигнала и уменьшает точность измерения. Следовательно, при подклю-чении датчиков необходимо принимать меры по компенсации изменения сопротивления соединительных проводов.

Схемы подключения датчиков к мостовым схемах

Трехпроводная схема
Пусть датчик включен в плечо R2 и удален от измерительной схемы и соединен с ней прово-дами с распределенными сопротивлениями Rп1 и Rп2. Для компенсации их сопро-тивления добавлен третий проводник с сопротивлением Rпн, как показано справа.
Т.к. Rн≫Rп Uвых не изменяется. Однако, схема не симметрична и подвержена наводкам.

Четырехпроводная схема
Четырехпроводная схема более помехоустойчива. В ней используются две витые пары (справа), которые подавляют синфазные наводки и помехи. Так как одна пара проводов (левая) включена последова-тельно с R2, а другая (правая) входит в плечо R4, то, как следует из уравнения (*), они компенсируют друг друга.

Аналоговая токовая петля
Она чаще всего применяется в промышленной автоматизации при сопряжении промышлен-ных контроллеров с датчиками или с испол-нительными устройствами.
Аналоговая токовая петля обладает двумя достоинствами:
Применяется стандартный диапазон измерения измеряемой величины, что обеспечивает взаимозаменяемость компо-нентов.
Передача сигнала с высокой точностью возможна на достаточно большое рассто-яние.

Диапазоны сигнала аналоговой токовой петли
Существует несколько вариантов диапа-зонов сигнала аналоговой токовой петли: «0–20 мА», «4–20 мА».
Диапазон «4–20 мА» имеет, однако, суще-ственное преимущество. 4 мА соответ-ствуют началу отсчета, а 20 мА – максимальному значению измеряемой величины. Таким образом, нулевое значение тока будет означать обрыв цепи.
Второе преимущество диапазона «4–20 мА» – возможность подачи энергии для питания датчика.

Схема аналоговой токовой петли

Реле
Реле (relay) – устройство, принимающее конечное число значений выходной величины под воздействием некоторого внешнего физического явления.
Изобретено в 1835 г. Джозефом Генри.
Существует большое количество разно-видностей реле в зависимости от прин-ципа действия и назначения.
Джозеф Генри
1797 - 1878